CN104836019A - 三频段共口径有源导航天线 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三频段共口径有源导航天线，用于解决现有导航天线工作频带不够宽、辐射效率低以及方向图低仰角增益低的问题。包括共口径天线单元(1)、滤波器(2)、低噪声放大器(3)和背腔(4)；共口径天线单元(1)包括高频辐射体、中频辐射体和低频辐射体，且该三个辐射体自上而下依次层叠，其中高频辐射体和低频辐射体采用电容耦合馈电并引入了寄生贴片；滤波器(2)和低噪声放大器(3)位于共口径天线单元(1)下方并安装在背腔(4)的腔体内；共口径天线单元(1)、滤波器(2)和低噪声放大器(3)依次相连。本发明可实现三个系统频段的天线复用，具有工作频带宽和辐射特性良好的优点，可用于卫星导航系统信号的接收。
Description
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种三频段共口径有源天线，可用于卫星导航系统的信号接收。
背景技术
全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite System,GNSS)属于星基无线电导航系统，其主要作用是利用卫星向全球用户提供高质量的定位、导航和授时服务。作为重要的空间基础设施，卫星导航系统已被广泛地应用在政治、经济、军事以及日常生活中，在各个领域发挥着不可替代的作用。
由于卫星导航系统在现代社会扮演着重要角色，世界主要大国和利益集团都独自建立或提出联合建立卫星导航系统。目前已建成运行和正在发展中的卫星导航系统主要有美国的全球卫星定位系统(Global Position Systems,GPS)，前苏联的全球卫星导航系统(Global Navigation Satellite Systems，GLONASS)，欧盟的伽利略(Galileo)卫星导航定位系统以及由我国自主研发的北斗卫星导航系统(BeiDou(COMPASS)Navigation Satellite System)。
近年来，随着人们对卫星导航服务要求越来越高，多模导航天线的研究受到广泛重视。各种形式的多模导航天线被开发出来，归纳起来主要有：单馈电结构，双馈电结构以及四馈电结构。常见的单馈电结构是采用多层贴片的微带线结构，贴片的层数通常与工作的频点相对应，不同的贴片层对应不同的工作频段，天线的圆极化是通过贴片切角来实现的。此类天线结构简单紧凑，剖面较低，便于制作加工，但是工作的频点较窄，难以承受外界的物理扰动。双馈电结构一般是通过两个馈电点提供等幅、相位相差90°的信号以激励出两个正交的线极化模，从而实现圆极化工作，在该结构中，一般是通过探针将信号耦合到辐射片上，以产生较宽的工作带宽。但是，常用的探针馈电形式会使宽频带天线与多个其它频带的天线共口径产生较强的互耦，导致天线上的电流分布受其它辐射元的影响而发生变化，使得其输入阻抗及辐射特性发生变化，无法保证天线在整个宽带频段范围内具有良好稳定的辐射性能。中国专利授权号CN 203481381U公开了一种导航天线，其结构如图1所示，该导航天线包括辐射装置和馈电电路，辐射装置包括上层贴片、中层贴片、下层贴片和地板。上层贴片和馈电电路之间由两个馈电探针相连接，采用层叠耦合实现多频点工作，通过调整上、中、下三层贴片的尺寸和相互之间的耦合关系，使三层贴片分别工作在卫星导航所工作的频段，实现三个系统频段的天线复用。该发明存在以下缺陷：其一，该发明所采用的探针馈电方式，由于探针在天线辐射单元输入端引入了电感，造成天线辐射单元输入端阻抗不匹配，使得天线工作频带较窄；其二，该发明中探针对上层贴片直接馈电，并将信号耦合到中层和下层贴片上，造成天线各频段辐射性能之间相互影响，无法兼顾天线各个频段的辐射特性，同时互耦过大造成了天线辐射效率的降低；其三，同探针过长会引起上层辐射单元方向图的畸变，同时上方贴片对下方贴片造成遮挡，使得下层辐射单元方向图恶化。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有导航天线存在的不足，提出了一种三频段共口径有源导航天线，用于解决现有导航天线工作频带不够宽、辐射效率低以及方向图低仰角增益低的问题。
为实现上述的目的，本发明采取的技术方案为：
一种三频段共口径有源导航天线，包括共口径天线单元1、滤波器2、低噪声放大器3和背腔4；所述共口径天线单元1包括辐射体、金属反射板116和馈电网络121，其中辐射体包括由高频寄生单元和高频辐射单元组成的高频辐射体、中频辐射体、低频寄生单元和低频辐射单元组成的低频辐射体，所述高频寄生单元、高频辐射单元、中频辐射体和低频寄生单元自上而下依次形成共轴层叠结构，该共轴层叠结构通过第一介质螺柱110支撑在低频辐射单元的上方；所述金属反射板116和馈电网络121分别印制在第七介质板117的上下表面；高频辐射单元、中频辐射体和低频辐射单元分别通过两根高频馈电同轴线118、两根中频馈电同轴线119和两根低频馈电探针120与馈电网络121相连，其中高频辐射单元和低频辐射单元采用电容耦合馈电；所述辐射体通过第二介质螺柱115支撑在第七介质板117上方，在该第七介质板117的下方设置有滤波器2和低噪声放大器3；所述低频辐射单元、第七介质板117、滤波器2和低噪声放大器3均位于背腔4的腔体内；所述低噪声放大器3，滤波器2和馈电网络121依次相连。
所述馈电网络121包括高频馈电网络、中频馈电网络和低频馈电网络，其中，高频馈电网络由二阶分支线耦合器组成；中频馈电网络由一阶Wilkinson功分器与90度移相器组成；低频馈电网络由二阶Wilkinson功分器与宽带90度移相器组成。
所述高频寄生单元由第一介质板101和印制在其上表面的高频寄生贴片100组成，高频辐射单元包括高频辐射贴片102、第二介质板103和第三介质板105，其中高频辐射贴片102印制在第二介质板103的上表面，在第三介质板104的上表面印制有两个圆形高频电容耦合贴片104；所述三个介质板101，103和105自上而下依次叠加，形成高频辐射体，两根高频馈电同轴线118的上下两端分别与高频电容耦合贴片104和高频馈电网络相连。
所述中频辐射体由第四介质板107和印制在其上表面的中频辐射贴片106组成，中频馈电同轴线119的上下两端分别与中频辐射贴片106和中频馈电网络相连。
所述低频寄生单元由第五介质板109和印制在其上表面的低频寄生贴片108组成，低频辐射单元包括第六介质板114和印制在其上表面的低频辐射贴片113，其中低频辐射贴片113上蚀刻有两个环形缝隙111，形成两个低频电容耦合贴片112，低频馈电探针120的上下两端分别与低频电容耦合贴片112和低频馈电网络121相连。
所述滤波器2和低噪声放大器3分别印制在第八介质板5的上表面和第九介质板6的下表面，所述第八介质板5的下表面和第九介质板6的上表面均印制有金属层，该两个介质板5，6上下层叠；所述滤波器2包括高频滤波器、中频滤波器和低频滤波器，所述低噪声放大器3包括高频低噪声放大器、中频低噪声放大器和低频低噪声放大器。
所述背腔4采用金属材料，形状为中间设有腔体的圆柱形，其底部固定有金属背腔盖板43，在腔体内自上而下设置有第一金属卡槽41和第二金属卡槽42，分别用于安装第七介质板12、第八介质板5和第九介质板6。
所述第一介质板101、第二介质板103、第三介质板105、第五介质板109、第六介质板114、第七介质板117和第九介质板6采用相对介电常数为4.4的FR4材料；第四介质板107和第八介质板5采用相对介电常数为2.55的介质材料；其中四个介质板114，117，5和6的表面形状均为圆形，并在第八介质板5和第九介质板6的圆周上各均匀设置有12个半圆形空隙。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1)本发明中高频辐射体和低频辐射体由于分别采用了同轴线耦合馈电和探针耦合馈电，通过在馈电位置处增加电容耦合效应来分别抵消同轴线和探针引入的电感，起到了输入阻抗匹配的作用；同时，高频辐射体和低频辐射体分别引入了堆叠型高频寄生贴片和悬置型寄生贴片，相当于在高频段和低频段各增加了一个电磁谐振结构，与现有技术采用的探针馈电相比，可以有效展宽天线高频段与低频段的工作频带。
2)本发明由于采用了将高频辐射体、中频辐射体和低频辐射体自上而下依次形成的共轴层叠结构，实现了天线辐射单元的三频段共口径工作；中频辐射贴片作为高频辐射单元的地板，低频辐射贴片作为中频辐射单元的地板，选取较低介电常数的中频辐射单元介质板，使得中频辐射贴片足够大以满足高频的辐射特性，同时不对低频辐射特性造成太大遮挡，与现有技术中三个频段辐射单元直接堆叠相比，可以有效的减少不同工作频段之间的互耦，提高辐射效率。
3)本发明中共口径天线单元与低噪声放大器的联合设计，可以提高带内增益，同时引入滤波器进行滤波处理可以消除带外干扰；低噪声放大器和滤波器位于背腔腔体中，可以屏蔽外界环境的影响；天线的低频段辐射单元也位于背腔腔体之中，能够在不影响中频段和高频段天线性能的情况下很好地改善低频段天线的低仰角增益。
附图说明
图1是现有导航天线的整体结构图；
图2是本发明的整体结构示意图；
图3是本发明滤波器和低噪声放大器的安装位置图；
图4是本发明共口径天线单元的结构示意图；
图5是本发明背腔的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述：
参照图2，本发明包括共口径天线单元1、滤波器2、低噪声放大器3和背腔4；所述共口径天线单元1包括辐射体、金属反射板和馈电网络，其中辐射体包括由高频寄生单元和高频辐射单元组成的高频辐射体、中频辐射体和由低频寄生单元和低频辐射单元组成的低频辐射体，所述高频寄生单元、高频辐射单元、中频辐射体和低频寄生单元自上而下依次形成共轴层叠结构，该共轴层叠结构通过第一介质螺柱支撑在低频辐射单元的上方，实现天线的三频段共口径；所述馈电网络由高频馈电网络、中频馈电网络和低频馈电网络组成，其中，高频馈电网络由二阶分支线耦合器组成，中频馈电网络由一阶Wilkinson功分器与90度移相器组成，低频段馈电网络由二阶Wilkinson功分器与新型宽带90度移相器组成。所述滤波器2由高频滤波器，中频滤波器和低频滤波器组成。所述低噪声放大器3由高频低噪声放大器，中频低噪声放大器和低频低噪声放大器组成。在第七介质板上方通过第二介质螺柱支撑辐射体，其下方自上而下依次安装有滤波器2和低噪声放大器3。所述高频馈电网络，中频馈电网络和低频馈电网络依次分别与对应的高频滤波器，中频滤波器和低频滤波器以及高频低噪声放大器，中频低噪声放大器和低频低噪声放大器相连接。所述共口径天线单元1与低噪声放大器3的联合设计，可以提高带内增益，同时引入滤波器2进行滤波处理可以消除带外干扰；所述低频辐射单元、第七介质板、滤波器2和低噪声放大器3位于背腔4腔体之中，能够在不影响中频段和高频段天线性能的情况下很好地改善低频段天线的低仰角增益，同时可以屏蔽外界环境对滤波器2和低噪声放大器3的干扰。
参考图3，第八介质板5的上表面印制有高频滤波器，中频滤波器和低频滤波器，下表面印制有金属贴片，所述高频滤波器，中频滤波器和低频滤波器均采用五枝节交指型滤波器；第九介质板6的上表面印制有金属贴片，下表面印制有高频低噪声放大器、中频低噪声放大器和低频低噪声放大器，其中高频低噪声放大器使用HMC716LP3E芯片，中频低噪声放大器使用HMC715LP3E芯片，低频低噪声放大器使用HMC618ALP3E芯片；所述第八介质板5和第九介质板6分别采用相对介电常数为2.65和4.4的圆形介质材料，半径均为70mm，厚度均为1mm，该第八介质板5和第九介质板6上下层叠共轴放置，使滤波器2和低噪声放大器3共地；所述共轴层叠结构的圆周上均匀设置有12个半圆形空隙，为低噪声放大器3和滤波器2留下了级联同轴线缆的空间。
参考图4，高频寄生单元由第一介质板101和印制在其上表面几何中心处的高频寄生贴片100组成，该第一介质板101采用相对介电常数为4.4的正方形介质材料，其边长为20mm，厚度为4mm，所述高频寄生贴片100采用外形为圆形的金属贴片，其半径为8.9mm，高频寄生单元的引入，可以有效展宽天线高频段的工作带宽；高频辐射单元包括高频辐射贴片102、第二介质板103和第三介质板105，其中第二介质板103采用相对介电常数为4.4的正方形介质材料，边长为30mm，厚度为0.5mm，在该第二介质板103的上表面几何中心处印有高频辐射贴片102，该高频辐射贴片102采用外形为圆形的金属贴片，其半径为9mm，所述第三介质板105采用相对介电常数为4.4的正方形介质材料，边长为30mm，厚度为3mm，在距该第三介质板105的几何中心6mm处正交方向上分别印有两个半径为2mm的圆形高频电容耦合贴片104，所述三个介质板101，103和105自上而下依次叠加，形成高频辐射体。中频辐射体由第四介质板107和印制在其上表面几何中心处的中频辐射贴片106组成，该第四介质板107采用相对介电常数为2.55的正方形介质材料，边长为48mm，厚度为3mm，所述中频辐射贴片106采用外形为正方形的金属贴片，其边长为39mm，由于中频辐射贴片106作为高频辐射单元的反射板，同时中频辐射体位于低频辐射体上方，会对低频辐射体造成遮挡，所以选取较低介电常数的中频介质，通过合理的设置中频辐射贴片106的尺寸，可以很好地兼顾高频段和低频段的辐射特性。低频寄生单元由第五介质板109和印制在其上表面几何中心处的低频寄生贴片108组成，所述第五介质板109相对采用介电常数为4.4的圆形介质材料，半径为70mm，厚度为1mm，所述低频寄生贴片108采用半径为38.9mm的圆形金属贴片，该低频寄生单元通过相对介电常数为2.55，高度为16mm的四个第一介质螺柱110支撑在低频辐射单元上方，相当于在低频寄生单元和低频辐射单元之间引入了厚度为16mm的空气层，采用该悬置型寄生贴片，可以显著的展宽天线低频的工作带宽；低频辐射单元包括第六介质板114和印制在其上表面的低频辐射贴片113，所述第六介质板114采用相对介电常数为4.4的圆形介质材料，半径为70mm，厚度为2mm，所述低频辐射贴片113采用半径为45.8mm的圆形金属贴片，在距该低频辐射贴片113中心位置20mm处正交的蚀刻有两个环形缝隙111，该环形缝隙111外环半径为6.1mm，内环半径为4.1mm，形成两个低频电容耦合贴片112。第七介质板117上下表面分别印制有金属反射板116和馈电网络121，该第七介质板117采用相对介电常数为4.4的圆形介质材料，半径为70mm，厚度为2mm，所述第七介质板117上方通过四个第二介质螺柱115支撑辐射体，该第二介质螺柱115采用相对介电常数为2.25的介质材料，高度为16mm。两根高频馈电同轴线118下端分别焊接在高频馈电网络的两个输出端口，并依次穿过低频辐射体和第四介质板107，外壁焊接在中频辐射贴片106上，内芯穿过第三介质板105分别焊接在两个圆形高频电容耦合贴片104上；中频馈电同轴线119的下端分别焊接在中频馈电网络的两个输出端口，并穿过低频辐射体，外壁焊接在低频寄生贴片108上，内芯穿过第四介质板107焊接在中频辐射贴片106上；低频馈电探针120的下端焊接在低频馈电网络的两个输出端口，上端分别焊接在两个低频电容耦合贴片112上。所述高频辐射体、中频辐射体和低频辐射体单独馈电，可以减少天线各频段之间的互耦，很好的改善天线各频段的辐射特性，提高辐射效率；所述高频辐射体和低频辐射体由于分别采用了同轴线耦合馈电和探针耦合馈电，通过在馈电位置处增加电容耦合效应来分别抵消同轴线和探针引入的电感，起到了输入阻抗匹配的作用，可以有效展宽天线高频段和低频段的工作频带。
参考图5，背腔4采用金属材料，形状为中间设有腔体的圆柱形，其底部固定有金属背腔盖板43，厚度为1mm，在距离背腔底部10cm处的背腔腔体内壁上对称设置有三个第二金属卡槽42，在该第二金属卡槽42上方10cm处对称的设有三个第一金属卡槽41，背腔内腔半径为70mm，外壁厚度为4.7mm。在背腔壁上设置有七个过孔，其中三个过孔用来穿过电源线，四个用来安装SMA接头。第七介质板安装在背腔腔体中的第一金属卡槽41内，滤波器和低噪声放大器安装在背腔腔体中的第二金属卡槽42内，所述第七介质板与滤波器之间、低噪声放大器与背腔盖板之间各有10mm的间隔，为级间同轴线缆连接预留空间。
以上描述和实施例，仅为本发明的优选实例，不构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和设计原理后，都可能在基于本发明的原理和结构的情况下，进行形式上和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种三频段共口径有源导航天线，其特征在于包括共口径天线单元(1)、滤波器(2)、低噪声放大器(3)和背腔(4)；所述共口径天线单元(1)包括辐射体、金属反射板(116)和馈电网络(121)，其中辐射体包括由高频寄生单元和高频辐射单元组成的高频辐射体、中频辐射体、低频寄生单元和低频辐射单元组成的低频辐射体，所述高频寄生单元、高频辐射单元、中频辐射体和低频寄生单元自上而下依次形成共轴层叠结构，该共轴层叠结构通过第一介质螺柱(110)支撑在低频辐射单元的上方；所述金属反射板(116)和馈电网络(121)分别印制在第七介质板(117)的上下表面；高频辐射单元、中频辐射体和低频辐射单元分别通过两根高频馈电同轴线(118)、两根中频馈电同轴线(119)和两根低频馈电探针(120)与馈电网络(121)相连，其中高频辐射单元和低频辐射单元采用电容耦合馈电；所述辐射体通过第二介质螺柱(115)支撑在第七介质板(117)上方，在该第七介质板(117)的下方设置有滤波器(2)和低噪声放大器(3)；所述低频辐射单元、第七介质板(117)、滤波器(2)和低噪声放大器(3)均位于背腔(4)的腔体内；所述馈电网络(121)、滤波器(2)和低噪声放大器(3)依次相连。
2.根据权利要求1所述的三频段共口径有源导航天线，其特征在于所述馈电网络(121)包括高频馈电网络、中频馈电网络和低频馈电网络，其中，高频馈电网络由二阶分支线耦合器组成；中频馈电网络由一阶Wilkinson功分器与90度移相器组成；低频馈电网络由二阶Wilkinson功分器与宽带90度移相器组成。
3.根据权利要求1所述的三频段共口径有源导航天线，其特征在于所述高频寄生单元由第一介质板(101)和印制在其上表面的高频寄生贴片(100)组成，高频辐射单元包括高频辐射贴片(102)、第二介质板(103)和第三介质板(105)，其中高频辐射贴片(102)印制在第二介质板(103)的上表面，在第三介质板(104)的上表面印制有两个圆形高频电容耦合贴片(104)；所述三个介质板(101，103，105)自上而下依次叠加，形成高频辐射体，两根高频馈电同轴线(118)的上下两端分别与高频电容耦合贴片(104)和高频馈电网络相连。
4.根据权利要求1所述的三频段共口径有源导航天线，其特征在于所述中频辐射体由第四介质板(107)和印制在其上表面的中频辐射贴片(106)组成，中频馈电同轴线(119)的上下两端分别与中频辐射贴片(106)和中频馈电网络相连。
5.根据权利要求1所述的三频段共口径有源导航天线，其特征在于所述低频寄生单元由第五介质板(109)和印制在其上表面的低频寄生贴片(108)组成，低频辐射单元包括第六介质板(114)和印制在其上表面的低频辐射贴片(113)，其中低频辐射贴片(113)上蚀刻有两个环形缝隙(111)，形成两个低频电容耦合贴片(112)，低频馈电探针(120)的上下两端分别与低频电容耦合贴片(112)和低频馈电网络相连。
6.根据权利要求1所述的三频段共口径有源导航天线，其特征在于所述滤波器(2)和低噪声放大器(3)分别印制在第八介质板(5)的上表面和第九介质板(6)的下表面，所述第八介质板(5)的下表面和第九介质板(6)的上表面均印制有金属层，该两个介质板(5，6)上下层叠；所述滤波器(2)包括高频滤波器、中频滤波器和低频滤波器，所述低噪声放大器(3)包括高频低噪声放大器、中频低噪声放大器和低频低噪声放大器。
7.根据权利要求1所述的三频段共口径有源导航天线，其特征在于所述背腔(4)采用金属材料，形状为中间设有腔体的圆柱形，其底部固定有金属背腔盖板(43)，在腔体内自上而下设置有第一金属卡槽(41)和第二金属卡槽(42)，分别用于安装第七介质板(12)、第八介质板(5)和第九介质板(6)。
8.根据权利要求1所述的三频段共口径有源导航天线，其特征在于所述第一介质板(101)、第二介质板(103)、第三介质板(105)、第五介质板(109)、第六介质板(114)、第七介质板(117)和第九介质板(6)采用相对介电常数为4.4的FR4材料；第四介质板(107)和第八介质板(5)采用相对介电常数为2.55的介质材料；其中四个介质板(114，117，5，6)的表面形状均为圆形，并在第八介质板(5)和第九介质板(6)的圆周上各均匀设置有12个半圆形空隙。
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